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1、1热力学热物理的宏观理论。从对热现象的大量观察和实验测量中总结出规律性的性质。统计物理从微观出发,运用统计方法，认为宏观性质是大量微观粒子热运动的统计平均值决定的。热力学和统计物理学，在对热现象的研究中，相辅相成。前者对热现象给出普遍而可靠的结果，可以用来验证后者的正确性，后者则可深入研究热现象的本质，使得热力学的理论具有更深刻的意义。什么是热学什么是热学?第1页/共60页2去粗取精，去伪存真抓住主要矛盾模型锁定目标，抓住重点内容第2页/共60页3高中物理竞赛内容1、分子动理论原子和分子的数量级分子的热运动 布朗运动 气体分子速率分布律（定性）温度的微观意义分子力分子的动能和分子间的势能 物体
2、的内能第3页/共60页42、气体的性质热力学温标 气体实验定律理想气体状态方程 普适气体恒量理想气体状态方程的微观解释（定性）3、热力学第一定律理想气体的内能热力学第一定律在理想气体等容、等压、等温过程中的应用 定容热容量和定压热容量 等温过程中的功（不推导）绝热方程（不推导）热机及效率 制冷机和制冷系数第4页/共60页54、热力学第二定律热力学第二定律的定性表述 可逆过程与不可逆过程 宏观过程的不可逆性 理想气体的自由膨胀 热力学第二定律的统计意义5、液体的性质液体分子运动的特点表面张力系数 球形液面下的附加压强浸润现象和毛细现象（定性）第5页/共60页66、固体的性质晶体和非晶体 空间点阵
3、固体分子运动的特点7、物态变化熔化和凝固 熔点 熔化热蒸发和凝结 饱和气压 沸腾和沸点 汽化热 临界温度固体的升华空气的湿度和湿度计 露点第6页/共60页78、热传递的方式传导 导热系数 对流 辐射黑体辐射 斯特潘定律9、热膨胀热膨胀和膨胀系数第7页/共60页8常见热学物理量及单位温度T,单位K压强p，Pa或N/m2,其它atm,mmHg体积V，m3质量m，kg摩尔质量M,状态量、过程量第8页/共60页9热学中常用的常量普适气体常量：玻尔兹曼常数：阿佛加得罗常数：满足：R=NAk第9页/共60页10 第10页/共60页11状态方程 重点四个定律第O定律温度 第一定律能量守恒与转化，重点第二定律
4、热学过程的方向第三定律内能分子动理论小知识点：相变、附加压强，等等第11页/共60页12122023/2/20热力学系统热力学系统或热力学体系热力学体系.热力学系统的分类状态参量特点：有边界(可以是实的,也可以是虚的)；大量微观粒子；环境；系统和环境间有作用能量传递(传热,作功)物质交换物质交换能量传递系统一、分子动理论1 热力学系统及分类第12页/共60页13132023/2/202.1 2.1 热力学第零定律（热力学第零定律（热平衡定热平衡定律律)2.2 温度2.3 温标经验温标2.3.2 热力学温标国际实用温标2 热力学第零定律与温度，温标第13页/共60页143 3 气体平衡态的分子动
5、理论气体平衡态的分子动理论基本概念基本概念3.1 3.1 布朗运动布朗运动 3.3.3.3.2 2 2 2 分子间的碰撞分子间的碰撞 平均自由程和碰撞频率平均自由程和碰撞频率 分子碰撞分子碰撞(散射散射)截面截面 气体分子按自由程的分布气体分子按自由程的分布3.3 3.3 3.3 3.3 分子按速度分布及按速率分布的统计描述分子按速度分布及按速率分布的统计描述速度空间速度分布函数速率分布函数 3.43.43.43.4分子间的相互作用力分子间的相互作用力第14页/共60页15气体的气体的分子参数分子参数(标况下）标况下）1、分子密度（1mol）2、分子平均距离L3、估计水分子的大小气体分子模型气
6、体分子模型第15页/共60页16温度的微观解释温度的微观解释理想气体状态方程:理想气体压强公式:分子热运动的平均平动能:上式表明，温度高低是物体内部大量分子无规则热运动剧烈程度的标志。第16页/共60页1717n 内能内能=分子动能分子动能+相互作用势能相互作用势能+电子能电子能+核能核能+n 对气体对气体:理想气体的内能第17页/共60页18182023/2/20玻意耳玻意耳马略特定律马略特定律 盖盖吕萨克定律吕萨克定律查理定律查理定律阿伏伽德罗定律1 理想气体状态方程理想气体状态方程二、气体的性质第18页/共60页19192023/2/20第19页/共60页20例1一容器储有氧气，压强为p
7、=1.0atm,温度为27摄氏度，求1）单位体积的分子数2）氧气密度3）氧分子质量4）分子间平均距离5）分子平均平动能第20页/共60页21例2质量为50.0g、温度为18.00C的氦气装在容积为10.0L的封闭容器内，容器以v=200m/s的速率做匀速直线运动。若容器突然停止，定向运动的动能全部转化为分子的热运动的动能，则平衡后氦气的温度和压强各增大到多少？第21页/共60页22222023/2/20例例3 3 一球形热气球，总质量一球形热气球，总质量(包括隔热很包括隔热很好的球皮以及吊篮等装置）为好的球皮以及吊篮等装置）为kgkg经加热后，气球膨胀到最大体积，其直径经加热后，气球膨胀到最大
8、体积，其直径为为m m设球内外气体成分相同，球内气设球内外气体成分相同，球内气体压强稍高于大气压，体压强稍高于大气压，已已知大气温度为知大气温度为摄氏度，压强为摄氏度，压强为atmatm，标准状态下空气，标准状态下空气的密度为的密度为.kg/mkg/m3 3试问热气球刚能上升试问热气球刚能上升时时，球内空气的温度应为多少？，球内空气的温度应为多少？第22页/共60页23232023/2/20道尔顿分压定律道尔顿分压定律 Dalton Law（J.Dalton，1801）：）：“混合气体的总压强等于各组分气体的分压强之和”。定义各组分的体积百分比体积百分比：设想混合气体中所含的某种组分单独处在与
9、混合气体相同的压强及温相同的压强及温度度的状态下，其体积占混合气体体积的百分比。2 混合理想气体状态方程混合理想气体状态方程 Equation of state for mixed ideal gases第23页/共60页24例4：空气是由76%的氮气、23%的氧气、1%的氩气组成（其余气体很少，忽略不计），求空气的平均相对分子质量及在标况下的密度微观配容与宏观分布第24页/共60页25例5，由摩尔质量为m的气体组成密度均匀大气层包围半径为r，质量为M的行星。求行星表面上大气温度。大气层厚度为h r 例6，在圆筒活塞下盛有20g氦气，将它从状态1（）缓慢地过渡到状态2（）。如果压强与体积关系图
10、像是一条直线，求在这个过程中达到的最高温度。第25页/共60页26例7，用不导热材料制成圆筒容器，不导热隔板将容器分为两部分，其体积为V1和V2。第1部分内有温度T1和压强p1的气体，第2部分内有同种气体，但温度T2和压强p2。如果拿走隔板，则在容器内气体达到恒定时的温度为多少？例8，在圆筒容器内的活塞下有温度t=20C的饱和水蒸气。当保持恒温缓慢推进活塞时，容器里释放热量Q=84KJ。求这时作用在活塞上的外力做多少功。第26页/共60页27例9 绝热圆筒容器立在桌上，借助导热的轻活塞A和不导热的重活塞B将容器分成长均为L=0.4的两室，每室内有1mol理想的单原子气体。开始系统处于热平衡，缓
11、慢加热气体，使它吸收热量Q=200J。当活塞A和容器壁之间的摩擦力为多大时，该活塞将保持不动？活塞B可以无摩擦地运动。第27页/共60页28例10，据说在克尼菲勋爵档案馆里发现一张有关理想气体循环过程图，由于年代久远，画已褪色且p（压强）和V（体积）坐标轴消失，仅保留两轴交点O。从对画的说明中可知，在A点气体温度最高，从V轴正方向看去沿逆时针向p轴正方向转角最小。试作图重建p和V轴的位置。第28页/共60页29例11，在轻活塞下的容器内充氦气，活塞距容器底的高度为H，容器和活塞绝热，活塞能无摩擦地移动。从活塞上方某一高度无初速度地释放弹性小球，为了在系统稳定平衡（球落在活塞上）时活塞位置不变，
12、这个高度h是多少？第29页/共60页30例12，面包圈形的容器里放置两个面积为S的薄活塞，用劲度系数为k的轻弹簧连接如图所示.最初容器内封闭了压强为p0，温度为T的气体，弹簧不伸长，弹簧部分封闭的体积占全部容器体积V0的a=1/10。为了使它的体积扩大为两倍，应该对有弹簧部分间隔加热到温度为多少？容器其余部分温度不变，摩擦不计。第30页/共60页31例13，容器内充满氦和氧的混合气，把混合气的温度从加热到，这样，有一半氦原子离开容器而剩余气体压强如前。求此过程混合气体密度变化了多少？氧的摩尔质量，氦的摩尔质量 第31页/共60页3232 功，内能，热量功，内能，热量功，广义功内能定理热量热力学
13、第一定律准静态过程可逆过程体积功的计算符号规则三、热力学第一定律第32页/共60页3333 热容量与热量的计算热容量与热量的计算 焓焓 Heat Capacity and Enthalpy等容过程中等容过程中 热容量与内能的变化热容量与内能的变化等压过程中等压过程中 热容量与内能的变化热容量与内能的变化定容热容量与定压热容量之间的关系定容热容量与定压热容量之间的关系由热容量计算热量，焓由热容量计算热量，焓理想气体等容理想气体等容、等压等压、等温等温、绝热过程绝热过程理想气体多方过程理想气体多方过程pV等容Isometric等温Isothermal绝热adiabatic等压Isobaric0第3
14、3页/共60页3434多方过程500绝热过程40A等温过程3等压过程20等容过程1比热比热C内能内能D DU热量热量Q功功A方程表示方程表示热力学热力学过程过程第34页/共60页3535 循环过程循环过程 Cycle Process循环过程循环过程循环过程循环过程热机循环及其效率热机循环及其效率热机循环及其效率热机循环及其效率卡诺热机卡诺热机内燃机循环及其效率内燃机循环及其效率定体加热循环（奥托循环）定体加热循环（奥托循环）定压加热循环（笛塞尔循环）定压加热循环（笛塞尔循环）制冷循环与制冷系数制冷循环与制冷系数制冷循环与制冷系数制冷循环与制冷系数卡诺逆循环制冷卡诺逆循环制冷斯特令逆循环斯特令逆
15、循环焦耳焦耳焦耳焦耳-汤姆逊效应汤姆逊效应汤姆逊效应汤姆逊效应abcd0pV第35页/共60页36例题10.020kg的氦气由170C升为270C。若在升温过程中，（1）体积保持不变；（2）压强保持不变；（3）不与外界交换热量；试求气体内能的改变，吸收的热量，外界对气体做的功。设氦气可以看成理想气体，且第36页/共60页37例2 标况下，0.016kg氧气，经过绝热过程对外做功80J，求终态的压强、体积和温度已知 例3标况下，1mol的单原子理想气体先经过绝热过程，再经过等温过程，最后压强和体积均为原来的2倍，求整个过程中系统吸收的热量。若先经过等温过程，再经过绝热过程，达到同样的状态，则结果
16、是否相同？第37页/共60页38例4某一特定条件下，水蒸气的焓是2545kJ/kg，水的焓是100.59kJ/kg。求此条件下的水蒸气的凝结热 例5汽化潜热：P一定，同温度时，由液汽，会吸热。1.01105 Pa,100时，水与气的焓为419.06,2767.3 KJ/Kg，求吸热多少？第38页/共60页39例6一个除底部为绝热的气筒，被一位置固定的导热板隔成相等的两部分A和B，其中各盛有1mol理想气体氮。今将80.0cal的热量缓缓地由底部供给气体，设活塞上的压强始终保持在1.0atm，求A和B部温度的改变以及各吸收的热量（导热板的热容可以忽略）若将位置固定的导热隔板换成可以自由滑动的绝热
17、隔板，重复上述讨论第39页/共60页40例7如图，摩尔单原子理想气体按p-V图中的图线发生循环过程，循环由竖直（1-2）和水平（3-4）部分以及“阶梯”（2-3）组成，n个台阶中的每一个气体的压强与体积变化相同且均变化一次。压强的最大值和最小值的倍率为k，体积的最大值与最小值的倍率也为k。求按此循环工作的热机的效率。第40页/共60页41例8图示为圆柱形气缸，汽缸壁绝热，气缸的右端有一小孔和大气相通，大气的压强为p0。用一热容量可忽略的导热板N和一绝热活塞M将气缸分为A,B,C三室，隔板与气缸固连，活塞相对气缸可以无摩擦地移动但不漏气。气缸的左端A室中有一电加热器。已知在A,B室中均盛有1摩尔
18、同种理想气体，电加热器加热前，系统处于平衡状态，A,B两室中气体的温度均为T0，A,B,C三室的体积均为V0。现通过电加热器对A室中气体缓慢加热，若提供的总热量为Q0，试求B室中气体末态体积和A室中气体的末态温度。设A,B两室中1摩尔的内能为2.5RT，式中R为普适气体常量，T为绝对温度。第41页/共60页42例9热机和热泵利用物质热力学循环实现相反功能：前者从高温处吸热，将部分热量转化为功对外输出，其余向低温处放出；后者依靠外界输入功，从低温处吸热，连同外界做功转化成的热量一起排向高温处，按热力学第二定律，无论热机还是热泵，若工作物质循环过程中只与温度为T1,T2的两个热源接触，则吸收的热量
19、Q1，Q2,满足不等式Q1/T1+Q2/T2=0,其中热量可正可负，分别表示从热源吸热与向热源放热。原供暖设备原本以温度的锅炉释放的热量向房间直接供暖，使室内温度保持恒温，高于户外温度。为提高能源利用率，拟在利用原有能源的基础上采用上述机器改进供暖方案，与直接供暖相比，能耗下降的理论极限可达到多少？第42页/共60页4343所有的实际发生的热现象都是不可逆的热现象进行的方向各种不可逆过程是互相关联的玻尔兹曼关系熵是系统无序程度大小的度量熵是系统无序程度大小的度量熵增原理四、热力学第二定律第43页/共60页4444孤立系统可逆过程的熵:孤立系统不可逆过程的熵:一个孤立系统的熵永不减少.热力学第二
20、定律热力学第二定律 数学表述：数学表述：数学表述：数学表述：第44页/共60页4545对理想气体，则：对理想气体，则：热力学基本方程热力学基本方程对于所有仅有体积功的纯物质的闭合系统，其可逆过程热对于所有仅有体积功的纯物质的闭合系统，其可逆过程热力学基本上都是从上面两个式子出发讨论的。力学基本上都是从上面两个式子出发讨论的。第45页/共60页46 热力学第二定律的经典表述热力学第二定律的经典表述 克劳修斯表述 开尔文表述 热力学第二定律与第零定律和第一定律之间的比较热力学第二定律与第零定律和第一定律之间的比较热力学温标的建立热力学温标的建立 热力学第三定律热力学第三定律第46页/共60页47五
21、、液体的性质1、液体的微观结构液体分子的排列液体分子的热运动液体分子的定居时间液晶液晶的力学性质液晶的分类：向列型、胆葘型、近晶型。第47页/共60页48液体的彻体性质液体的彻体性质介于固体与气体之间热容热膨胀热传导扩散黏性第48页/共60页49液体的表面性质表面张力表面张力系数弯曲液面内外的压强差液面与固体接触面的表面现象毛细现象第49页/共60页50例题1、S=20km2的湖面上，下了使湖面升高h=50mm的雨，雨滴半径r=1.0mm。设温度不变，求释放出来的能量。a=7.3*10-2N/m2、质量m=5.0*10-4kg,宽度l=3.977*10-2m、厚度d=2.3*10-4m的铜片放
22、入液体中，慢慢提起铜片，使它大部分露出液面，此时测得提拉的力为F=1.07*10-2N。求液体的表面张力系数。第50页/共60页513、在深为h=2.0m的水池底部产生的诸多直径为d=5.0*10-5m的气泡，当它们等温地上升到水面时，气泡的直径有多大？已知水的表面张力系数为7.3*10-2N/m4、两块水平玻璃中间夹少量水银，问多大压力加在上面玻璃时，能使两玻璃间的水银厚度出处等于1.0*10-4m，并且每块玻璃和水银的接触面积都是4.0*10-3m2,设水银与玻璃的接触角是135第51页/共60页525.大肥皂泡里有一个小肥皂泡，大肥皂泡半径是小肥皂泡半径的10倍，从外面抽掉空气，此后大肥
23、皂泡半径增大1倍。求内部肥皂泡半径增大到多少倍。温度恒定，重力可以忽略不计。第52页/共60页53六、固体的性质晶体的宏观特性单晶，多晶。晶面，晶棱，顶点。晶面角守恒定律各向异性。无论是单晶还是多晶，都具有确定的熔点，这是晶体与非晶体的本质区别。第53页/共60页54晶体的微观结构（1）、结点、点阵（2）平移周期性（3）原胞（4）旋转对称性（5）准晶（6）晶体分类第54页/共60页55晶体中粒子的结合力和结合能结合力化学键离子键、共价键、范德瓦耳斯键、金属键、氢键晶体中粒子的热运动热振动、杜隆-珀蒂定律、热缺陷、扩散晶体的范性形变和位错范性形变、位错、滑移、孪生第55页/共60页56七、物态变
24、化单元系一级相变的普遍特征相：系统中物理性质均匀的部分称做一个“相”，不同“相”之间有明确的分界面隔离开来。元：系统中化学成分不同的物质称为不同的“元”。相变：在一定条件下（一定压强和一定温度下），不同相之间发生的转变叫相变第56页/共60页57气液相变汽化与凝结饱和蒸汽沸腾等温相变熔化与结晶熔点三相点固液相变空气的湿度和湿度计相对湿度露点第57页/共60页58八、热传递的方式热传导(Heat conductivity)与热传递或传热(Heat transfer)并不等同：传热泛指一切由于温度差而引起的热量（能量）传递，常按不同机理将传热归纳为三种基本方式热传导、对流、热辐射傅里叶定律牛顿冷却定律第58页/共60页59九、热膨胀热膨胀：热振动时粒子间的平均距离发生变化，温度越高，距离越大，这就是热膨胀。当温度改变不大时，固体单位长度的改变量近似地和温度改变量Dt成正比第59页/共60页60感谢您的观看！第60页/共60页